การสังเคราะห์ด้วยแสงทำงานอย่างไร?

กระบวนการสังเคราะห์แสงที่พืชและต้นไม้เปลี่ยนแสงจากดวงอาทิตย์ให้มีคุณค่าทางโภชนาการ พลังงานในตอนแรกอาจดูเหมือนเวทมนตร์ แต่กระบวนการนี้ทั้งทางตรงและทางอ้อมค้ำจุนทั้งหมด the โลก. เมื่อพืชสีเขียวเอื้อมมือไปหาแสง ใบไม้ของพวกมันจะจับพลังงานของดวงอาทิตย์โดยใช้สารเคมีที่ดูดซับแสงหรือเม็ดสีพิเศษเพื่อสร้างอาหารจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำที่ดึงมาจากชั้นบรรยากาศ กระบวนการนี้จะปล่อยออกซิเจนเป็นผลพลอยได้กลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นส่วนประกอบในอากาศที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตที่หายใจทั้งหมด

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

สมการง่ายๆ สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือคาร์บอนไดออกไซด์ + น้ำ + พลังงานแสง = กลูโคส + ออกซิเจน เนื่องจากสิ่งที่อยู่ภายในอาณาจักรพืชใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง พวกมันจะปล่อยออกซิเจนกลับคืนสู่บรรยากาศเพื่อให้ผู้คนหายใจ ต้นไม้และพืชสีเขียว (บนบกและในทะเล) มีหน้าที่หลักในการให้ออกซิเจนภายใน ชั้นบรรยากาศ และหากปราศจากพวกมัน สัตว์และมนุษย์ ตลอดจนสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ก็อาจไม่มีอยู่อย่างพวกมัน ทำวันนี้

สีเขียวที่เติบโตเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับทุกชีวิตบนโลก ไม่ใช่แค่อาหารสำหรับสัตว์กินพืชและสัตว์กินพืชทุกชนิด แต่สำหรับออกซิเจนในการหายใจ กระบวนการสังเคราะห์แสงเป็นวิธีหลักที่ออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ มันเป็นวิธีการทางชีวภาพเพียงวิธีเดียวในโลกที่จับพลังงานแสงของดวงอาทิตย์ เปลี่ยนเป็นน้ำตาลและคาร์โบไฮเดรตที่ให้สารอาหารแก่พืชในขณะที่ปล่อยออกซิเจน

ลองคิดดู: พืชและต้นไม้สามารถดึงพลังงานที่เริ่มต้นจากส่วนนอกสุดของอวกาศใน of ในรูปของแสงแดด เปลี่ยนเป็นอาหาร และในกระบวนการปล่อยอากาศที่สิ่งมีชีวิตต้องการ เจริญเติบโต คุณสามารถพูดได้ว่าพืชและต้นไม้ที่ผลิตออกซิเจนทั้งหมดมีความสัมพันธ์ทางชีวภาพกับสิ่งมีชีวิตที่หายใจด้วยออกซิเจนทั้งหมด มนุษย์และสัตว์ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์แก่พืชและให้ออกซิเจนเป็นการตอบแทน นักชีววิทยาเรียกสิ่งนี้ว่าความสัมพันธ์แบบพึ่งพาอาศัยกันเพราะทุกฝ่ายในความสัมพันธ์ได้รับประโยชน์

ในระบบการจำแนก Linnaean การจัดหมวดหมู่และการจัดอันดับของสิ่งมีชีวิต พืช สาหร่ายและแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่เรียกว่าไซยาโนแบคทีเรียเป็นสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวที่ผลิตอาหารจาก แสงแดด. ข้อโต้แย้งในการตัดไม้ทำลายป่าและกำจัดพืชเพื่อการพัฒนาดูเหมือนจะไม่เป็นผลหาก ไม่มีมนุษย์เหลืออยู่ในการพัฒนาเหล่านี้เพราะไม่มีพืชและต้นไม้เหลือให้สร้างออกซิเจน

พืชและต้นไม้เป็นออโตโทรฟ สิ่งมีชีวิตที่สร้างอาหารได้เอง เนื่องจากพวกมันทำสิ่งนี้โดยใช้พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ นักชีววิทยาจึงเรียกพวกมันว่าโฟโตออโตโทรฟ พืชและต้นไม้ส่วนใหญ่ในโลกนี้เป็นโฟโตออโตโทรฟ

การเปลี่ยนแสงแดดเป็นอาหารเกิดขึ้นที่ระดับเซลล์ภายในใบของพืชในออร์แกเนลล์ที่พบในเซลล์พืช ซึ่งมีโครงสร้างที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ แม้ว่าใบจะประกอบด้วยหลายชั้น แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงก็เกิดขึ้นในชั้นมีโซฟิลล์ ซึ่งเป็นชั้นกลาง ช่องเปิดขนาดเล็กที่ด้านล่างของใบเรียกว่าปากใบควบคุมการไหลของคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนเข้าและออกจากพืช ควบคุมการแลกเปลี่ยนก๊าซของพืชและความสมดุลของน้ำของพืช

ปากใบอยู่ใต้ใบโดยหันเข้าหาแสงแดดเพื่อลดการสูญเสียน้ำ เซลล์ป้องกันเล็กๆ ที่อยู่รอบๆ ปากใบควบคุมการเปิดและปิดของช่องเปิดที่เหมือนปากเหล่านี้โดยการบวมหรือหดตัวตามปริมาณน้ำในบรรยากาศ เมื่อปิดปากใบ การสังเคราะห์ด้วยแสงจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ เนื่องจากพืชไม่สามารถดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ได้ ทำให้ระดับคาร์บอนไดออกไซด์ในพืชลดลง เมื่อเวลากลางวันร้อนและแห้งเกินไป สโตรมาจะปิดเพื่อเก็บความชื้น

ในฐานะที่เป็นออร์แกเนลล์หรือโครงสร้างในระดับเซลล์ในใบพืช คลอโรพลาสต์มีเยื่อหุ้มชั้นนอกและชั้นในที่ล้อมรอบพวกมัน ภายในเยื่อหุ้มเหล่านี้มีโครงสร้างรูปจานที่เรียกว่าไทลาคอยด์ เยื่อหุ้มไทลาคอยด์เป็นที่ที่พืชและต้นไม้เก็บคลอโรฟิลล์ ซึ่งเป็นเม็ดสีเขียวที่ทำหน้าที่ดูดซับพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ นี่คือจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงซึ่งโปรตีนจำนวนมากประกอบกันเป็นห่วงโซ่การขนส่งเพื่อนำพลังงานที่ดึงมาจากดวงอาทิตย์ไปยังที่ที่ต้องการเข้าไปในโรงงาน

กระบวนการสังเคราะห์แสงเป็นกระบวนการสองขั้นตอน หลายขั้นตอน ขั้นตอนแรกของการสังเคราะห์แสงเริ่มต้นด้วย begins ปฏิกิริยาแสงหรือที่เรียกว่า กระบวนการขึ้นอยู่กับแสง และต้องการพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ ขั้นตอนที่สอง ปฏิกิริยามืด เวที หรือเรียกอีกอย่างว่า Calvin Cycleเป็นกระบวนการที่พืชทำน้ำตาลด้วยความช่วยเหลือของ NADPH และ ATP จากระยะปฏิกิริยาแสง

ปฏิกิริยาแสง ขั้นตอนการสังเคราะห์แสงประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้:

• รวบรวมคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำจากชั้นบรรยากาศผ่านต้นไม้หรือใบของต้นไม้
• เม็ดสีเขียวที่ดูดซับแสงในพืชหรือต้นไม้จะเปลี่ยนแสงแดดเป็นพลังงานเคมีที่เก็บไว้
• เอนไซม์จากพืชกระตุ้นด้วยแสงจะลำเลียงพลังงานที่จำเป็นก่อนปล่อยออกมาเพื่อเริ่มต้นใหม่
  

ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นที่ระดับเซลล์ภายในไทลาคอยด์ของพืช ถุงแบนแต่ละใบ จัดเรียงเป็นเม็ดหรือกองภายในคลอโรพลาสต์ของพืชหรือเซลล์ต้นไม้

วงจรคาลวิน, ตั้งชื่อตาม Melvin Calvin นักชีวเคมีของ Berkeley (1911-1997) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1961 จากการค้นพบ ขั้นตอนปฏิกิริยามืดเป็นกระบวนการที่พืชทำน้ำตาลด้วยความช่วยเหลือของ NADPH และ ATP จากปฏิกิริยาแสง เวที. ในระหว่าง Calvin Cycle มีขั้นตอนดังต่อไปนี้:

• การตรึงคาร์บอนที่พืชเชื่อมต่อคาร์บอนกับสารเคมีจากพืช (RuBP) เพื่อการสังเคราะห์ด้วยแสง
• ระยะการลดซึ่งสารเคมีจากพืชและพลังงานทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างน้ำตาลในพืช
• การก่อตัวของคาร์โบไฮเดรตเป็นธาตุอาหารพืช
• ขั้นตอนการสร้างใหม่ซึ่งน้ำตาลและพลังงานร่วมมือกันสร้างโมเลกุล RuBP ซึ่งช่วยให้วัฏจักรเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง

ที่ฝังอยู่ภายในเมมเบรนไทลาคอยด์คือระบบจับภาพแสงสองระบบ: ระบบภาพถ่าย I และระบบภาพถ่าย II ประกอบด้วยโปรตีนคล้ายเสาอากาศหลายชนิด ซึ่งใบของพืชจะเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นสารเคมี พลังงาน. Photosystem I จัดหาตัวพาอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำในขณะที่อีกตัวหนึ่งส่งโมเลกุลที่มีพลังงานไปยังที่ที่พวกเขาต้องการ

คลอโรฟิลล์เป็นเม็ดสีที่ดูดซับแสงภายในใบของพืชและต้นไม้ซึ่งเริ่มกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ในฐานะที่เป็นเม็ดสีอินทรีย์ภายในคลอโรพลาสต์ไทลาคอยด์ คลอโรฟิลล์จะดูดซับพลังงานภายในแถบแคบ ๆ เท่านั้น ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผลิตโดยดวงอาทิตย์ในช่วงความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร (นาโนเมตร) ถึง 400 นาโนเมตร เรียกว่าแถบการแผ่รังสีที่สังเคราะห์ด้วยแสง สีเขียวตั้งอยู่ตรงกลางสเปกตรัมแสงที่มองเห็นแยกจากกัน พลังงานต่ำ แต่ความยาวคลื่นยาวกว่าสีแดง สีเหลือง และสีส้มจากพลังงานสูง ความยาวคลื่นสั้นลง สีบลูส์ สีคราม และ สีม่วง

เช่น คลอโรฟิลล์ดูดซับ โฟตอนเดียวหรือ แตกต่าง แพ็คเก็ตของพลังงานแสงทำให้โมเลกุลเหล่านี้ตื่นเต้น เมื่อโมเลกุลของพืชตื่นเต้นแล้ว ขั้นตอนที่เหลือในกระบวนการเกี่ยวข้องกับการนำโมเลกุลที่ตื่นเต้นนั้นเข้าสู่ระบบขนส่งพลังงานผ่านพลังงาน พาหะที่เรียกว่านิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟตหรือ NADPH เพื่อส่งไปยังระยะที่สองของการสังเคราะห์ด้วยแสง ระยะปฏิกิริยามืดหรือคาลวิน วัฏจักร.

หลังจากเข้าสู่ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนกระบวนการสกัดไฮโดรเจนไอออนจากน้ำที่นำเข้าและส่งไปยังด้านในของไทลาคอยด์ ซึ่งไอออนไฮโดรเจนเหล่านี้จะสะสมตัว ไอออนผ่านเยื่อหุ้มกึ่งรูพรุนจากด้านสโตรมาลไปยังลูเมนไทลาคอยด์ สูญเสียบางส่วน ของพลังงานในกระบวนการ ขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านโปรตีนที่มีอยู่ระหว่างระบบแสงทั้งสอง ไอออนของไฮโดรเจนรวมตัวกันในลูเมนไทลาคอยด์ซึ่งพวกมันรอการเติมพลังก่อนที่จะมีส่วนร่วมในกระบวนการที่ทำให้อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟตหรือเอทีพีเป็นสกุลเงินพลังงานของเซลล์

โปรตีนเสาอากาศในระบบภาพถ่าย 1 ดูดซับโฟตอนอีกตัวหนึ่ง ส่งต่อไปยังศูนย์ปฏิกิริยา PS1 ที่เรียกว่า P700 ศูนย์ที่ถูกออกซิไดซ์ P700 จะส่งอิเล็กตรอนพลังงานสูงไปยังนิโคติน-เอไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต หรือ NADP+ และลดลงเพื่อสร้าง NADPH และ ATP นี่คือจุดที่เซลล์พืชแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี

คลอโรพลาสต์ประสานการสังเคราะห์แสงสองขั้นตอนเพื่อใช้พลังงานแสงในการผลิตน้ำตาล ไทลาคอยด์ภายในคลอโรพลาสต์เป็นตัวแทนของตำแหน่งของปฏิกิริยาแสง ในขณะที่วัฏจักรคาลวินเกิดขึ้นในสโตรมา

การหายใจระดับเซลล์ซึ่งเชื่อมโยงกับกระบวนการสังเคราะห์แสง เกิดขึ้นภายในเซลล์พืชเมื่อรับพลังงานแสง เปลี่ยนเป็นพลังงานเคมี และปล่อยออกซิเจนกลับคืนสู่บรรยากาศ การหายใจเกิดขึ้นภายในเซลล์พืชเกิดขึ้นเมื่อน้ำตาลที่ผลิตขึ้นระหว่างกระบวนการสังเคราะห์แสง รวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างพลังงานให้กับเซลล์ ทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นผลพลอยได้จาก การหายใจ สมการการหายใจอย่างง่ายตรงข้ามกับการสังเคราะห์ด้วยแสง: กลูโคส + ออกซิเจน = พลังงาน + คาร์บอนไดออกไซด์ + พลังงานแสง

การหายใจระดับเซลล์เกิดขึ้นในเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมดของพืช ไม่เพียงแต่ในใบ แต่ยังรวมถึงในรากของพืชหรือต้นไม้ด้วย เนื่องจากการหายใจระดับเซลล์ไม่ต้องการพลังงานแสงจึงเกิดขึ้นได้ ทั้งกลางวันและกลางคืน แต่การรดน้ำต้นไม้ในดินที่มีการระบายน้ำไม่ดีทำให้เกิดปัญหาในการหายใจของเซลล์ เช่น น้ำท่วม พืชไม่สามารถรับออกซิเจนผ่านรากได้เพียงพอและเปลี่ยนกลูโคสเพื่อรักษาการเผาผลาญของเซลล์ กระบวนการ หากพืชได้รับน้ำมากเกินไปเป็นเวลานานเกินไป รากของมันจะขาดออกซิเจน ซึ่งสามารถหยุดการหายใจของเซลล์และฆ่าพืชได้

ศาสตราจารย์ Elliott Campbell จากมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนีย Merced และทีมนักวิจัยของเขาตั้งข้อสังเกตในบทความเดือนเมษายน 2017 ใน "ธรรมชาติ" วารสารวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติที่กระบวนการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงวันที่ 20 ศตวรรษ. ทีมวิจัยได้ค้นพบบันทึกระดับโลกเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์แสงที่คร่อมสองร้อยปี

สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสรุปได้ว่าการสังเคราะห์แสงของพืชทั้งหมดบนโลกเพิ่มขึ้น 30 เปอร์เซ็นต์ในช่วงหลายปีที่พวกเขาค้นคว้า แม้ว่าการวิจัยไม่ได้ระบุถึงสาเหตุของการเพิ่มขึ้นของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงทั่วโลกโดยเฉพาะ แต่ทีม แบบจำลองคอมพิวเตอร์แนะนำกระบวนการหลายอย่างเมื่อรวมกัน ซึ่งอาจส่งผลให้โรงงานทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างมาก การเจริญเติบโต.

แบบจำลองแสดงให้เห็นว่าสาเหตุหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เพิ่มขึ้นนั้นรวมถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศที่เพิ่มขึ้น (สาเหตุหลักมาจากมนุษย์ กิจกรรมต่างๆ) ฤดูปลูกที่ยาวนานขึ้นเนื่องจากภาวะโลกร้อนอันเนื่องมาจากการปล่อยมลพิษเหล่านี้และมลพิษไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้นที่เกิดจากการเกษตรและเชื้อเพลิงฟอสซิล การเผาไหม้ กิจกรรมของมนุษย์ที่นำไปสู่ผลลัพธ์เหล่านี้มีทั้งผลในเชิงบวกและเชิงลบต่อโลก

ศาสตราจารย์แคมป์เบลล์ตั้งข้อสังเกตว่าในขณะที่การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นจะกระตุ้นผลผลิตของพืชผล แต่ก็ช่วยกระตุ้นการเจริญเติบโตของวัชพืชที่ไม่ต้องการและชนิดพันธุ์ที่รุกราน เขาตั้งข้อสังเกตว่าการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นโดยตรงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศทำให้เกิดน้ำท่วมตามแนวชายฝั่งมากขึ้น พื้นที่ สภาพอากาศสุดขั้ว และการเพิ่มขึ้นของกรดในมหาสมุทร ซึ่งทั้งหมดมีผลทบต้น ทั่วโลก

แม้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นในช่วงศตวรรษที่ 20 แต่ก็ทำให้พืชเก็บคาร์บอนได้มากขึ้นในระบบนิเวศทั่วโลก ส่งผลให้พวกมันกลายเป็นแหล่งคาร์บอนแทนการกักเก็บคาร์บอน แม้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้น การเพิ่มขึ้นก็ไม่สามารถชดเชยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลได้ดังเช่น การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มากขึ้นจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลมีแนวโน้มที่จะครอบงำความสามารถของพืชในการดูดซึม คาร์บอนไดออกไซด์

นักวิจัยวิเคราะห์ข้อมูลหิมะแอนตาร์กติกที่รวบรวมโดย National Oceanic and Atmospheric Administration เพื่อพัฒนาผลการวิจัยของพวกเขา โดยการศึกษาก๊าซที่เก็บไว้ในตัวอย่างน้ำแข็ง นักวิจัยได้ทบทวนบรรยากาศโลกในอดีต